-
Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überprüfung eines Energiespeichers,
insbesondere eines Autarkiekondensators eines sicherheitskritischen
Systems in einem Fahrzeug, gemäß Anspruch
1 und ein entsprechendes Verfahren gemäß Anspruch 7.
-
Elektrische
Systeme in Fahrzeugen, insbesondere solche, die sicherheitskritische
Funktionen erfüllen,
müssen
auch nach einem Ausfall der Spannungsversorgung, der beispielsweise
durch einen Unfall des Fahrzeugs verursacht wurde, noch einige Zeit
betriebsbereit sein. Dieser Zeitraum wird auch als Autarkiezeit
bezeichnet. Es handelt sich hierbei um den Zeitraum, der ohne Versorgungsspannung überbrückt werden
kann und während
dem ein elektrisches System noch einsatzbereit ist. Die Autarkiezeit
wird im Wesentlichen durch die Kapazität einer Hilfsspannungsquelle,
die als Notversorgung dient, und durch den Strombedarf der zu versorgenden elektrischen
Schaltungselemente bestimmt. Beispielsweise muss bei einem Airbag-Steuergerät gewährleistet
sein, dass auch noch einige Zeit nach Ausfall der Spannungsversorgung
impulsförmige hohe
Ströme
zum Zünden
von Airbags geliefert werden können.
Diesen Anforderungen entsprechend ist eine Hilfsspannungsquelle
zu bemessen.
-
Die
Hilfsspannungsquelle wird in der Regel durch einen Kondensator,
dem so genannten Autarkiekondensator gebildet. Dieser Kondensator
bildet einen Energiespeicher, der nach Ausfall der Versorgungsspannung
das System für
einen bestimmten Zeitraum weiter mit elektrischer Energie versorgt. Aus
Sicherheitsgründen
muss der Autarkiekondensator regelmäßig überprüft werden. Dies ist vor allem erforderlich,
da verschiedene Faktoren wie beispielsweise Kondensatortoleranzen,
der Alterungszustand, Temperatureinflüsse und das Ladespannungsniveau des
Kondensators die Autarkiekapazität
und damit die Betriebssicherheit beispielsweise einer Sicherheitseinrichtung
des Fahrzeugs beeinflussen. Daher werden in elektrischen Systemen
im Fahrzeug häufig Spannungsversorgungsschaltungen
eingesetzt, welche die Möglichkeit
der Überprüfung eines
Energiespeichers, insbesondere eines Autarkiekondensators bieten.
Eine Überprüfung umfasst
dabei in der Regel die Ermittlung der tatsächlich verfügbaren Kapazität des Autarkiekondensators.
-
Eine
derartige Überprüfung kann
auf verschiedene Arten erfolgen. Beispielsweise ist aus der
DE 195 08 850 A1 eine
Schaltung zur Überprüfung eines
Autarkiekondensators bekannt, mit der explizit ein Entladevorgang
des Autarkiekondensators initiiert werden kann. Aus der durch den
Entladevorgang entstehenden Differenzspannung kann auf die Größe der Kapazität des Autarkiekondensators
geschlossen werden. Die
DE
195 17 698 C2 offenbart ein Verfahren zur Festlegung der
Autarkiezeit, bei dem nach Abschalten eines System mit einem Autarkiekondensator
die Verfügbarkeit
des Systems bzw. die Systemlaufzeit gemessen und anhand dieser Messung die
Kapazität
des Autarkiekondensators ermittelt wird. Diese Verfahren und Schaltungen
besitzen jedoch den Nachteil, dass ein relativ hoher Spannungshub
erforderlich ist, um ein aussagekräftiges Messergebnis zu erzielen,
da die Toleranzen der Messwerterfassung wie beispielsweise Toleranzen
eines eingesetzten Analog-Digital-Wandlers zum Umwandeln des analogen
Spannungshubs in einen entsprechenden digitalen Wert zu Messfehlern
führen
können. Ein
hoher Spannungshub kann aber nicht mehr während des Betriebs eines elektrischen
System im Fahrzeug durchgeführt
werden, da durch die Entladung die erforderlich Autarkiezeit verringert
wird, was gerade bei sicherheitskritischen Systemen nicht tolerierbar
ist. Es wäre
zwar prinzipiell möglich
einen großen,
d.h. „überdimensionierten" Autarkiekondensator einzusetzen,
aus Kostengründen
ist dies allerdings in den meisten Einsatzgebieten, insbesondere
in der Kraftfahrzeugtechnik nicht erwünscht.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung
zur Überprüfung eines
Energiespeichers, insbesondere eines Autarkiekondensators eines
sicherheitskritischen Systems in einem Fahrzeug, und ein entsprechendes
Verfahren vorzuschlagen, die eine Überprüfung im laufenden Systembetrieb
ermöglichen.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zur Überprüfung eines Energiespeichers, insbesondere
eines Autarkiekondensators eines sicherheitskritischen Systems in
einem Fahrzeug, mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein entsprechendes
Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 7 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
-
Ein
wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass eine am Energiespeicher,
beispielsweise an einem Autarkiekondensator eines Airbagsteuergeräts anliegende
Spannung geringfügig
erhöht
wird und anschließend
das Entladen des Energiespeichers auf eine Nominalspannung wie beispielsweise
die Versorgungsspannung des vom Energiespeicher versorgten elektrischen
Systems zur Überprüfung insbesondere
der Kapazität
des Energiespeichers ausgewertet wird. Mit anderen Worten schlägt also
die Erfindung vor, anstelle eines Entladens des Energiespeichers
ein Überladen
zum Überprüfen vorzunehmen.
Dadurch wird vermieden, dass die Nominalspannung des Systems durch
eine Überprüfung unterschritten
wird, was eine Verringerung der Autarkiezeit zur Folge hätte. Die
am Energiespeicher anliegende Spannung, die im Betrieb im Wesentlichen
der Nominalspannung des Systems entspricht, wird vorzugsweise nur
geringfügig
für eine kurze
Zeitdauer erhöht,
um eine Störung
des Systembetriebs und eine mögliche
Beeinträchtigung
der Kapazität
des Energiespeichers zu vermeiden. Die Erhöhung der Spannung am Energiespeicher
kann mehrfach, insbesondere zyklisch vorgenommen werden, wodurch
Fehler des Energiespeichers, beispielsweise eine Verringerung der
Kapazität
durch z.B. einen Pinabriss bei mehreren parallel geschalteten Kondensatoren
schnell entdeckt werden können. Gemäß der Erfindung
kann durch eine Auswertung des Spannungsverlaufs am Energiespeicher
nach einem Überladen
nicht nur die Kapazität
sondern auch ESR oder der Innenwiderstand des Energiespeichers überprüft werden.
-
Die
Erfindung betrifft nun konkret eine Schaltungsanordnung zur Überprüfung eines
Energiespeichers, umfassend
eine Ladeschaltung zum Aufladen
des Energiespeichers, die derart ausgebildet ist, dass sie den Energiespeicher
definiert überladen
kann, eine Messschaltung zum Messen des Spannungsverlaufs am Energiespeicher
und
eine Auswerteschaltung, die zum Überprüfen insbesondere der Kapazität des Energiespeichers
durch Auswerten des gemessenen Spannungsverlaufs ausgebildet ist.
-
Insbesondere
weist die Ladeschaltung einen steuerbaren Spannungswandler auf,
dessen Ausgangsspannung abhängig
von einem Steuersignal eingestellt werden kann. Mit einem derartigen
Spannungswandler kann das Maß des
definierten Überladens
eingestellt werden. Im Unterschied zu einem nicht-steuerbaren Spannungswandler,
bei dem die Ausgangsspannung fest vorgegeben ist, kann bei einem
steuerbaren Spannungswandler die Ausgangsspannung in einem bestimmten
Bereich variiert werden. Dadurch ist es mit einem steuerbaren Spannungswandler
möglich,
ein definiertes Überladen
des Energiespeichers beispielsweise durch ein bestimmtes Steuersignal
vorzugeben.
-
Ferner
kann die Ladeschaltung eine Stromquelle aufweisen, deren Eingang
mit dem Ausgang des Spannungswandlers verbunden ist und die einen Strom
abhängig
von der Eingangsspannung liefert. Die Stromquelle dient zur Verbesserung
der Genauigkeit des definierten Überladens
des Energiespeichers, da durch sie die Abhängigkeit des Stroms, mit dem
der Energiespeicher überladen
wird, von der Eingangsspannung fest vorgegeben ist. Dadurch kann über die
Stromquelle relativ genau das Überladen
eingestellt werden.
-
Parallel
zum Energiespeicher kann ein Lastwiderstand geschaltet sein, der
derart dimensioniert ist, dass nach einem definiertem Überladen
des Energiespeichers die Spannung am Energiespeicher innerhalb einer
vorgegebenen Zeitspanne auf eine Nominalspannung abfällt. Durch
den Lastwiderstand kann sozusagen eine bestimmte „Entladezeit" vorgegeben werden,
die ebenfalls zum Ermitteln der Kapazität des Energiespeichers ausgewertet
werden kann.
-
Um
eine besonders schnelle Erkennung von Fehlern durch die Überprüfung zu
erreichen, kann eine Steuerschaltung für die Steuerung des Aufladens
des Energiespeichers vorgesehen sein, die derart ausgebildet ist,
dass sie ein zyklisches Überladen des
Energiespeichers durch die Ladeschaltung initiiert. Beispielsweise
kann die Steuerschaltung ausgebildet sein, um den Spannungswandler
derart anzusteuern, dass dieser zyklisch seine Ausgangsspannung
erhöht,
was zu einem zyklischen Überladen
des Energiespeichers führt.
Dadurch kann innerhalb von vorgegebenen Zeitabständen eine Überprüfung des Energiespeichers im
laufenden Betrieb vorgenommen werden.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
betrifft die Erfindung ein Steuergerät für ein Fahrzeug, insbesondere
für ein
Sicherheitssystem eines Fahrzeugs, umfassend eine Schaltungsanordnung
gemäß der Erfindung
zur Überprüfung eines
oder mehrerer Autarkiekondensatoren des Steuergeräts. Das Steuergerät kann beispielsweise
für ein
Insassenschutzsystem vorgesehen sein, bei dem eine Funktion auch
nach Ausfall der Versorgungsspannung für einen gewissen Zeitraum unbedingt
durch einen Energiespeicher wie einen Autarkiekondensator sichergestellt
werden muss. Eine Überprüfung des
Energiespeichers ist vor allem bei derartigen Steuergräten besonders
wichtig.
-
Ferner
betrifft die Erfindung gemäß einer weiteren
Ausführungsform
ein Verfahren zur Überprüfung eines
Energiespeichers, bei dem der Energiespeicher definiert überladen
wird, der Spannungsverlauf am Energiespeicher nach Abschluss des
definierten Überladens
gemessen wird, und die Kapazität
des Energiespeichers durch Auswerten des gemessenen Spannungsverlaufs überprüft wird.
-
Ein
derartiges Verfahren kann beispielsweise in Form eines Programms
implementiert werden, das von einem Prozessor beispielsweise eines
Steuergeräts
eines Fahrzeugs ausgeführt
wird. Dadurch wird das Steuergerät
programmtechnisch derart eingerichtet, dass eine Überprüfung eines
Energiespeichers des Steuergeräts
auch während
dem laufenden Betrieb erfolgen kann.
-
Weitere
Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
in Verbindung mit dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
-
In
der Beschreibung, in den Ansprüchen,
in der Zusammenfassung und in der Zeichnung werden die in der hinten
angeführten
Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen
verwendet.
-
Die
Zeichnung zeigt in der einzigen Figur ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung
zur Überprüfung eines
Energiespeichers gemäß der Erfindung.
-
Die
einzige Figur zeigt eine Schaltungsanordnung zur Überprüfung eines
als Energiespeicher dienenden Kondensators 1 (Autarkiekondensator). Die
dargestellte Schaltung kann beispielsweise Teil eines Steuergeräts für eine Insassenschutzeinrichtung
eines Kraftfahrzeugs oder eines Versorgungsmoduls für mehrere
Steuergeräte
sein. Sie weist einen steuerbaren DC/DC-Wandler 4 auf,
der eingangsseitig beispielsweise mit einer Klemme 15 verbunden
ist, an der eine zu wandelnde Spannung, typischerweise die Bordnetzspannung
von 12 V eines Kraftfahrzeugs anliegt. Diese Spannung wird vom DC/DC-Wandler 4 entsprechend
dem Steuersignal 5 in eine Ausgangsspannung umgewandelt.
Durch das Steuersignal 5 kann die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 4 innerhalb
eines bestimmten Bereichs gesteuert werden. Beispielsweise kann
durch ein konstantes Steuersignal 5 eine eingangsseitige Spannung
in eine konstante Ausgangsspannung von etwa 5 V umgewandelt wird,
die der nominellen Vorsorgungsspannung (Nominalspannung) von elektronischen
Bauelementen des Steuergeräts
entsprechen kann. Durch eine Erhöhung
des Steuersignals 5 kann eine Erhöhung der Ausgangsspannung bewirkt
werden, wie weiter unten noch genauer erläutert wird.
-
Der
Ausgang des DC/DC-Wandlers 4 ist durch einen Kondensator 8 gepuffert,
um zu vermeiden, dass bei erhöhtem
Strombedarf die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 4 einbricht.
Ferner ist eine Stromquelle 3 vorgesehen, die von der Ausgangsspannung
des DC/DC-Wandlers 4 versorgt wird. Die Stromquelle 3 liefert
einen Ausgangsstrom, der von der Versorgungsspannung der Stromquelle 3 abhängt, also
von der Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 4. Mit anderen
Worten ist also der Strom der Stromquelle 3 abhängig von
der eingangsseitigen Spannung der Stromquelle 3 vorgebbar.
-
Die
Stromquelle 3 dient zum Laden eines Energiespeichers des
Steuergeräts,
der durch einen Autarkiekondensator 1 implementiert ist.
Parallel zum Autarkiekondensator 1 ist ein Lastwiderstand 7 geschaltet,
der derart dimensioniert ist, dass sich der Autarkiekondensator 1 nach
einer Überladung
wieder bis zu einer gewissen Spannung, typischerweise der Nominalspannung
des Steuergeräts
entlädt.
-
Zum
Messen der Spannung bzw. des Spannungsverlaufs am Autarkiekondensator 1 ist
eine Messschaltung 9 vorgesehen. Der Messschaltung 9 ist
eine Auswerteschaltung 10 zum Ermitteln der Kapazität des Autarkiekondensators 1 anhand
des gemessenen Spannungsverlaufs nachgeschaltet. Die Auswerteschaltung 10 liefert
ein Prüfergebnissignal 11,
beispielsweise ein digitales Signal, das angibt, ob die Prüfung des
Autarkiekondensators 1 erfolgreich oder nicht erfolgreich
war, d.h. der Autarkiekondensator 1 Fehler aufweist. Das
Signal 11 kann beispielsweise von einer Überwachungsschaltung
für die
Autarkiezeit von Steuergeräten
ausgewertet werden.
-
Um
den Autarkiekondensator 1, der auch durch eine Parallelschaltung
mehrerer Kondensatoren implementiert sein kann, nicht nur während der Inbetriebnahme
oder nach Abschalten des Steuergeräts überprüfen zu können, sondern auch während des
laufenden Betriebs des Steuergeräts,
ohne die erforderliche Autarkiezeit zu verringern, kann durch das
Steuersignal 5 zyklisch der DC/DC-Wandler 4 derart
eingestellt werden, dass er jeweils pro Zyklus für eine bestimmte kurze Zeitdauer
eine höhere
Ausgangsspannung liefert. Dies ist durch den schematisch dargestellten
Verlauf des Steuersignals 5 angedeutet. Hierbei treten
in vorgegebenen Zeitabständen
kurze Pulse im Steuersignal 5 auf, die bewirken, dass der
DC/DC-Wandler 4 seine Ausgangsspannung entsprechend kurzzeitig
während
der Dauer jedes Pulses erhöht.
Dies bewirkt wiederum einen kurzzeitig erhöhten Ausgangsstrom der Stromquelle 3,
wodurch der Autarkiekondensator 1 definiert überladen
wird, wie durch den schematisch dargestellten Spannungsverlauf 6 angedeutet
ist. Unter „definiertem Überladen" wird hier ein Überladen
mit einer vorgegebenen Spannungserhöhung innerhalb eines vorgegebenen
Zeitraums verstanden.
-
Die
Messschaltung 9 misst diesen Spannungsverlauf, beispielsweise
zu diskreten Zeiten, und gibt die gemessenen Spannungswerte an die Auswerteschaltung 10 weiter.
Die Auswerteschaltung 10 kann die erhaltenen Spannungswerte
digitalisieren, um sie für
eine weitere Verarbeitung, insbesondere Auswertung aufzubereiten.
Die digitalisierten Werte werden dann mittels der Formel C = I·t·ΔU ausgewertet.
Da der Strom I durch den Lastwiderstand 7 beim Entladen
und durch die Stromquelle 3 beim Laden des Autarkiekondensators 1 definiert
ist, muss von der Auswerteschaltung 10 aus den gemessenen Spannungswerten
lediglich der Spannungshub ΔU beim
Laden bzw. Entladen und die Zeitdauer t ermittelt werden. Dies ist
beispielsweise durch entsprechende Vergleiche mit gespeicherten
Vorgabewerten ohne größeren Berechnungsaufwand
möglich.
Dann kann die Auswerteschaltung die Kapazität C des Autarkiekondensators 1 ermitteln
und durch einen Vergleich mit einer gespeicherten Sollkapazität überprüfen. Weicht
der ermittelte Kapazitätswert
von der Sollkapazität
mehr als eine vorgegebene Toleranz ab, kann die Auswerteschaltung
das Prüfergebnissignal 11 derart
einstellen, dass einer Überwachungsschaltung
ein Fehler des Autarkiekondensators 1 signalisiert wird.
-
Der
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Energiespeicher wie
ein Autarkiekondensator auch während
des laufenden Betriebs eines Steuergeräts überprüft werden kann, insbesondere
zyklisch. Dadurch können
sehr schnell Fehler des Energiespeichers ermittelt werden, wie beispielsweise ein
Kondensator- oder Pinabriss während
des Betriebs, insbesondere wenn ein Energiespeicher aus mehreren
parallel geschalteten Kondensatoren gebildet ist. Die Zeitabstände von Überladungen
des Energiespeichers können
fest vorgegeben und gleich lang oder auch variabel und ggf. zufällig gewählt sein. Hier
sind vielfältige
Variationen im Rahmen der Erfindung möglich, je nach gewünschtem
Prüfschema.
-
Wie
bereits oben angedeutet, kann die Kapazität des Energiespeichers sowohl
durch den Spannungsverlauf beim Überladen
als auch durch den Spannungsverlauf beim anschließenden Entladen auf
die Nominalspannung überprüft werden.
Die Auswertung kann beispielsweise durch eine Auswertung des resultierenden
Spannungshubs 6 als Folge einer Überladung bzw. Spannungserhöhung für eine definierte
Zeit erfolgen. Denkbar ist auch eine zeitliche Auswertung des Spannungshubs 6,
beispielsweise bis die Spannung am Energiespeicher bis zu einem bestimmten
Prozentsatz der Spannungserhöhung des
DC/DC-Wandlers 4 gefolgt ist.
-
Die
Prüfung
gemäß der Erfindung
kann auch mit den eingangs erläuterten
bekannten Verfahren und Schaltungen kombiniert werden. Dann sind
die Genauigkeitsanforderungen an die Prüfung gemäß der Erfindung gering im Vergleich
zu der Prüfung beim
Ein- oder Abschalten eines elektrischen Systems, wie es bei den
bekannten Verfahren und Schaltungen erfolgt. Durch die erfindungsgemäße Prüfung wird
dann sichergestellt, dass gröbere
Fehler, beispielsweise ein Bauteileabriss, mit anderen Worten also
die Kapazität
des Energiespeichers wesentlich beeinträchtigende Fehler schnell entdeckt
werden. Ein genaues Prüfergebnis
kann dann durch die bekannten Schaltungen und Verfahren erzielt
werden. Die niedrigeren Genauigkeitsanforderungen wirken sich auf
die Mess- und die Auswerteschaltung 9 bzw. 10 aus,
die dann weniger genau arbeiten müssen und daher in der Regel
einfacher aufgebaut sein können.
-
- 1
- Energiespeicher
(Autarkiekondensator)
- 2
- steuerbare
Entladeschaltung für
den Autarkiekondensator 1
- 3
- steuerbare
Stromquelle
- 4
- DC/DC-Wandler
- 5
- Steuersignal
für DC/DC-Wandler 4
- 6
- Spannungsverlauf
am Autarkiekondensator 1
- 7
- Lastwiderstand
- 8
- Pufferkondesator
- 9
- Messschaltung
zum Messen des Spannungsverlaufs am Autarkiekondensator 1
- 10
- Auswerteschaltung
zum Ermitteln der Kapazität
des Autarkiekondensators 1
- 11
- Prüfungsergebnissignal
der Auswerteschaltung